JP4979273B2 - モータの駆動回路 - Google Patents

Description

本発明は、モータの駆動回路に関し、特にリニア駆動方式のモータの駆動回路に関する。

図４は、従来技術に係るモータの駆動回路の一例を示す。

モータ１は、コイル２を有する単相ブラシレスモータである。前記モータ１は、前記コイル２に印加される駆動信号Ｓ１に応じて回転する。ホール素子３は、前記モータ１の回転位相を検出して検出信号Ｓ２を出力する。ホールアンプ４は、前記検出信号Ｓ２を増幅して増幅検出信号Ｓ３を出力する。出力アンプ５は、電源電圧Ｖ１に応じて、前記増幅検出信号Ｓ３を増幅して前記駆動信号Ｓ１を出力する。このように、前記モータ１、前記ホール素子３、前記ホールアンプ４、及び前記出力アンプ５は、フィードバックループを形成して、前記モータ１をリニア駆動する。

斯かるモータの駆動回路では、前記モータ１の回転速度は、前記電源電圧Ｖ１に依存する。すなわち、前記モータ１の回転速度は、前記電源電圧Ｖ１が大きく設定されると早くなり、前記電源電圧Ｖ１が小さく設定されると遅くなる。

関連した技術文献としては、例えば以下の特許文献が挙げられる。
特開平５−３０７８０

上述したモータの駆動回路では、前記電源電圧Ｖ１が切り替えられても、前記駆動信号Ｓ１の振幅は固定されていた。

図５は、前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。

先ず、図５（ａ）は、前記電源電圧Ｖ１に対して、前記駆動信号Ｓ１の振幅が適正である場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。一般に、前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１により僅かに歪むように設計される。

一方、図５（ｂ）は、図５（ａ）よりも前記モータ１の回転速度が早くなるように、前記電源電圧Ｖ１が大きく設定された場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。前述したように、前記電源電圧Ｖ１が切り替えられても、前記駆動信号Ｓ１の振幅は固定される。この場合、前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１に満たないため、前記モータ１は、駆動能力が不足して、設定された回転速度に到達できない。また、前記出力アンプ５において、前記電源電圧Ｖ１と前記駆動信号Ｓ１との電位差に応じた熱が発生し、放熱対策が必要となる。

他方、図５（ｃ）は、図５（ａ）よりも前記モータ１の回転速度が遅くなるように、前記電源電圧Ｖ１が小さく設定された場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。この場合、前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１を超える領域において大きく歪み、略矩形波状になる。このため、前記駆動信号Ｓ１の変化が急峻となり、騒音が発生する。

また、前記ホール素子３は、素子毎に内部抵抗、温度特性等のばらつきがあった。このため、前記ホール素子３から出力される前記検出信号Ｓ２の振幅にばらつきが生じ、上記と同様の問題が発生していた。

上記に鑑み、本発明に係るモータの駆動回路は、モータの回転位相を検出して検出信号を出力する検出回路と、前記検出信号を増幅して増幅検出信号を出力する増幅回路と、前記増幅検出信号を電源電圧に従い増幅して駆動信号を出力する出力アンプと、前記駆動信号に応じて駆動するモータと、を備え、前記検出信号は、前記駆動信号の飽和時間と非飽和時間との比が一定値を保つように、前記電源電圧に応じて増幅されることを特徴とする。

また、前記電源電圧に応じた変換電圧を出力する電圧変換回路と、前記変換電圧を一方の入力とし、前記増幅検出信号を他方の入力とした増幅率設定アンプと、を備え、前記増幅率設定アンプの出力は、前記増幅回路のゲインを変えることを特徴とする。

また、前記電源電圧は、目標とするモータの回転速度に応じて切り替えられることを特徴とする。

また、前記検出信号は、前記検出回路を構成するホール素子により検出され、
前記ホール素子に流れるホール電流は、所定値を超えないように調整されていることを特徴とする。

本発明に係るモータの駆動回路では、電源電圧に応じて、前記駆動信号の飽和時間と非飽和時間との比が一定値を保つように演算増幅器の電圧増幅率が変化するため、モータの回転速度を変えても、設定された電源電圧に適した駆動信号のゲインが得られる。このため、発熱、騒音の発生を防ぐことができる。

また、増幅検出信号と、電源電圧に応じた設定電圧とに応じて、前記演算増幅器の増幅率を制御するため、前記増幅検出信号のゲインを最適値に設定することができる。さらに、ホール素子のばらつきの影響を低減することができる。

また、電源電圧によりモータの回転速度が設定される構成をとっても、発熱、騒音を防ぐことができる。

また、ホール素子の内部抵抗や温度特性がばらついても、ホール素子の損傷を防ぐことができる。

以下、本発明に係るモータの駆動回路について、詳細に説明する。

図１は、本発明に係るモータの駆動回路の一例を示す。斯かる駆動回路は、モータ１、ホール素子３、ホールアンプ４、及び出力アンプ５は、フィードバックループを形成して、前記モータ１をリニア駆動する。ここで、前記モータ１の回転速度は、前記出力アンプ５に印加される電源電圧Ｖ１に応じて制御される。ここで、前記電源電圧Ｖ１は、速度制御回路６により、設定された回転速度に対応した値に調整されて出力される。そして、前記電源電圧Ｖ１は、電圧変換回路７及び増幅率設定アンプ８を介して、前記ホールアンプの電源接続端子に接続される。また、前記ホール素子に流れるホール電流Ｉ１は、ホール電流回路９により、所定量以下になるように制御される。以下、本発明に係るモータの駆動回路について、具体的に説明する。

モータ１は、コイル２を有する単相ブラシレスモータである。前記モータ１は、回転子にロータマグネットが取着されており、前記コイル２に印加される駆動信号Ｓ１に応じて回転する。

ホール素子３は、前記モータ１のロータマグネットが通過する適宜な部位に配設されており、前記モータ１の回転位相を検出して、検出信号Ｓ２を出力する。前記ホール素子３は、例えば、ガリウム砒素(ＧaＡs)、インジウムアンチモン(ＩnＳb)からなる。ここで、前記ホール素子３は、前記モータ１の回転位相を、ホール効果を利用して検出する。すなわち、前記ホール素子３にはホール電流Ｉ１が流れており、当該ホール電流Ｉ１の方向と垂直な方向に、前記モータ１の回転に基づく磁界がかかると、前記ホール電流Ｉ１と前記磁界との両方に垂直な方向に磁界の大きさに応じた前記検出信号Ｓ２が発生する。ところで、前記ホール素子３の内部抵抗は、素子毎にばらつきがあり、しかも当該内部抵抗は温度によって変化する。この場合、例えば、前記内部抵抗が設計値よりも大きくなった場合、前記ホール電流Ｉ１は、所定値を下回り、前記モータ１の回転に基づく磁界を十分に検出することができなくなる。一方、前記内部抵抗が設計値よりも小さくなった場合、前記ホール電流Ｉ１は、所定値を上回り、発熱により前記ホール素子３が破壊される。このため、本実施形態にかかるモータの駆動回路では、前記ホール電流回路９が設置され、当該ホール電流回路９は、前記ホール素子３の内部抵抗に応じて、最適な前記ホール電流Ｉ１を出力する。斯かるホール電流回路９は、例えば、定電圧のホールバイアスを出力する低電圧出力回路と、該低電圧出力回路から出力される電流を所定値にクリップするクリップ回路とから構成される。

ホールアンプ４は、前記検出信号Ｓ２を増幅して、増幅検出信号Ｓ３を出力する。すなわち、前記ホールアンプ４の非反転入力端子には、前記ホール素子３の出力が印加され、反転入力端子には、前記ホール素子３の反転出力が印加される。そして、前記ホールアンプ４から、前記検出信号Ｓ２の振幅が増幅された正弦波形の増幅検出信号Ｓ３が出力される。ここで、前記ホールアンプ４の電圧増幅率は、電源接続端子１０に印加される増幅率設定電圧Ｖ４により設定される。

出力アンプ５は、印加される前記電源電圧Ｖ１に応じて、前記増幅検出信号Ｓ３を増幅して、駆動信号Ｓ１を出力する。すなわち、前記電源電圧Ｖ１の値と前記検出信号Ｓ２の増幅度とは比例する。また、前記電源電圧Ｖ１は、前記出力アンプ５が正常動作する為の入力電圧範囲を規定する。すなわち、前記増幅検出信号Ｓ３の電圧が、前記電源電圧Ｖ１の範囲を超える場合、前記出力アンプ５から出力される前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１を越える範囲が歪んだ略区形状となる。

ここで、前記電源電圧Ｖ１は、目標とするモータの回転速度に応じて、速度制御回路６により設定される。具体的には、モータの回転速度を、基準よりも早くする場合、前記電源電圧Ｖ１は大きく設定され、基準よりも遅くする場合、前記電源電圧Ｖ１は小さく設定される。

ところで、本発明に係るモータの駆動回路では、前記電源電圧Ｖ１は、電圧変換回路７にも印加される。そして、前記電源電圧Ｖ１は、前記電圧変換回路７により、前記電源電圧Ｖ１に応じた変換電圧Ｖ３に変換されて、増幅率設定アンプ８に入力される。また、該増幅率設定アンプ８には、前記増幅検出信号Ｓ３も入力される。そして、前記増幅率設定アンプ８は、前記変換電圧Ｖ３と、前記増幅検出信号Ｓ３とを比較して、増幅率設定電圧Ｖ４を出力する。そして、前記増幅率設定電圧Ｖ４は、前記ホールアンプ４の前記電源接続端子１０に印加され、前記ホールアンプ４の電圧増幅率を変化させる。

すなわち、本発明に係るモータの駆動回路では、設定された前記電源電圧Ｖ１に応じて、前記ホールアンプ４の電圧増幅率も変化する。このため、前記増幅検出信号Ｓ３の振幅は、前記電源電圧Ｖ１に応じて変化し、それに伴い、前記増前記駆動信号Ｓ１の振幅も変化する。

図２は、前記出力アンプ５から出力された前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。

先ず、図２（ａ）は、前記電源電圧Ｖ１に対して、前記駆動信号Ｓ１の振幅が適正である場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。一般に、前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１により僅かに歪むように設計される。これは、前記電源電圧Ｖ１が、前記駆動信号Ｓ１よりも大きい場合、前記電源電圧Ｖ１と前記駆動信号Ｓ１との電位差に応じた発熱が生じる。一方、前記電源電圧Ｖ１が、前記駆動信号Ｓ１よりも小さい場合、前記駆動信号Ｓ１は、前記電源電圧Ｖ１を超える範囲で歪むため、前記駆動信号Ｓ１の変化が急峻になることに起因して騒音が発生する。ここで、発熱は、放熱対策等が必要となるため、騒音よりも防ぐべき問題である。そこで、発熱を最小限に抑えることに重点を置き、これら発熱と騒音とのバランスが最適となるように、前記電源電圧Ｖ１は、前記駆動信号Ｓ１よりも僅かに小さくなるように設計される。ここで、当該バランスが保たれた状態における、前記駆動電圧の飽和時間をｔ１、非飽和時間をｔ２と定義する。

また、図２（ｂ）は、図２（ａ）よりも前記モータ１の回転速度が早くなるように、前記電源電圧Ｖ１が大きく設定された場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。ここで、本発明に係るモータの駆動回路では、前記ホールアンプ４の電圧増幅率は、前記電源電圧Ｖ１に応じて大きくなる。この場合、前記増幅検出信号Ｓ３の振幅も、前記電源電圧Ｖ１に応じて大きくなる。したがって、前記増幅検出信号Ｓ３に依存する前記駆動信号Ｓ１の振幅も、前記電源電圧Ｖ１に応じて大きくなる。ここで、好ましくは、前記駆動信号Ｓ１の飽和時間ｔ３と、非飽和時間ｔ４との比が、図２（ａ）におけるｔ１とｔ２との比と等しくなるように設定される。尚、前記電源電圧Ｖ１に応じた前記増幅率設定電圧Ｖ４の変化は、前記電圧変換回路７によって調節される。この場合、各電源電圧Ｖ１に応じた騒音と発熱との発生のバランスを最適に保つことができる。

また、図２（ｃ）は、図２（ａ）よりも前記モータ１の回転速度が遅くなるように、前記電源電圧Ｖ１が小さく設定された場合の前記駆動信号Ｓ１の波形図を示す。前記ホールアンプ４の電圧増幅率は、前記電源電圧Ｖ１に応じて小さくなる。この場合、前記増幅検出信号Ｓ３の振幅も、前記電源電圧Ｖ１に応じて小さくなる。したがって、前記増幅検出信号Ｓ３に依存する前記駆動信号Ｓ１のゲインも、前記電源電圧Ｖ１に応じて小さくなる。ここで、好ましくは、図２（ｂ）と同様に、前記駆動信号Ｓ１の飽和時間ｔ５と、非飽和時間ｔ６との比が、図２（ａ）におけるｔ１とｔ２、及び図２（ｂ）におけるｔ３とｔ４との比と等しくなるように設定される。

図３は、前記電圧変換回路７の一例を示す。

斯かる電圧変換回路７は、前記電源電圧Ｖ１が、前述の飽和時間と非飽和時間との比が一定となるような前記変換電圧Ｖ３に変換するように構成されている。以下、当該回路について、具体的に説明する。

トランジスタＱ１のベースには、前記電源電圧Ｖ１を抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との抵抗分割により設定される電圧Ｖ４が発生する。ここで、前記トランジスタＱ１とトランジスタＱ２とは、同じベース−エミッタ間電圧を有する。このため、前記トランジスタＱ２のエミッタにも、略電圧Ｖ４が発生する。ところで、トランジスタＱ３とトランジスタＱ４とは、ミラー回路を構成する。このため、前記トランジスタＱ４のコレクタには、前記トランジスタＱ３と前記トランジスタＱ４とのミラー比、及び抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との抵抗比により設定された電圧Ｖ５が発生する。そして、トランジスタＱ５とトランジスタＱ６とは、同じベース−エミッタ間電圧を有する。このため、前記トランジスタＱ６のエミッタにも、略電圧Ｖ５が発生する。ここで、抵抗Ｒ５には、任意に設定できるレベルシフト電圧Ｖｒが印加される。したがって、当該電圧変換回路７の出力部から、前記抵抗Ｖ２が前記レベルシフト電圧Ｖｒにより、前記変換電圧Ｖ３に変換されて出力される。すなわち、前記変換電圧Ｖ３は、前記電源電圧Ｖ１に応じて変化し、且つ前記レベルシフト電圧Ｖｒにより、前述した前記駆動信号Ｓ１の飽和時間と非飽和時間との比が満たされるように調節することができる。

尚、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、本発明に係るモータの駆動回路では、単相ブラシレスモータの場合について説明したが、２相ブラシレスモータ、３相ブラシレスモータ等の場合でも同様に適用できる。

また、本発明に係るモータの駆動回路では、前記ホールアンプ４の電圧変化率が変化するように構成された。しかしながら、本発明は、当該実施形態に限定されず、例えば、前記ホールアンプ４の後段に、オペアンプを別に設置して、当該オペアンプの電圧変化率が変化するように構成されてもよい。

本発明の実施形態に係るモータ駆動回路の回路図を示す。 本発明の実施形態に係る駆動信号の波形図を示す。 本発明の実施形態に係る電圧変換回路の回路図を示す。 従来技術に係るモータ駆動回路の回路図を示す。 従来技術に係る駆動信号の波形図を示す。

符号の説明

１ モータ
２ コイル
３ ホール素子
４ ホールアンプ
５ 出力アンプ
６ 速度制御回路
７ 電圧変換回路
８ 増幅率設定アンプ
９ ホールバイアス回路
１０ 電源接続端子
Ｓ１ 駆動信号
Ｓ２ 検出信号
Ｓ３ 増幅検出信号
Ｖ１ 電源電圧
Ｖ２ ホールバイアス
Ｖ３ 変換電圧
Ｖ４ 増幅率設定電圧
Ｖｒ レベルシフト電圧

Claims (4)

1. モータの回転位相を検出して検出信号を出力する検出回路と、
   前記検出信号を増幅して増幅検出信号を出力する増幅回路と、
   前記増幅検出信号を電源電圧に従い増幅して駆動信号を出力する出力アンプと、を備え、
   前記検出信号は、前記駆動信号の飽和時間と非飽和時間との比が一定値を保つように、前記電源電圧に応じて、前記増幅回路により増幅されることを特徴とするモータの駆動回路。
2. 前記電源電圧に応じた変換電圧を出力する電圧変換回路と、
   前記変換電圧を一方の入力とし、前記増幅検出信号を他方の入力とした増幅率設定アンプと、を備え、
   前記増幅率設定アンプの出力は、前記増幅回路のゲインを変えることを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動回路。
3. 前記電源電圧は、目標とするモータの回転速度に応じて切り替えられることを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動回路。
4. 前記検出信号は、前記検出回路を構成するホール素子により検出され、
   前記ホール素子に流れるホール電流は、所定値を超えないように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のモータの駆動回路。